генераторы света, источники когерентного оптического излучения, основным элементом которых является нелинейный кристалл, в котором мощная световая волна фиксированной частоты параметрически возбуждает световые волны меньшей частоты. Частоты параметрически возбуждаемых волн определяются дисперсией света в кристалле. Изменение дисперсии среды, т. е. величины n , позволяет управлять частотой волн, излучаемых П. г. с.
П. г. с. предложен в 1962 С. А. Ахмановым и Р. В. Хохловым (СССР). В 1965 были созданы первые П. г. с. Джорджмейном и Миллером (США) и несколько позднее Ахмановым и Хохловым с сотрудниками. Световая волна большой интенсивности (волна накачки), распространяясь в кристалле, модулирует его диэлектрическую проницаемость e (см. Нелинейная оптика ). Если поле волны накачки: Е н Е ноsin (wн t- к н х + jн) ( к нwн/uн - волновое число , jн - начальная фаза), диэлектрическая проницаемость e изменяется по закону бегущей волны: e e0[1 +m sin (wн t + к н х + jн], где m 4pc Е н0 / e0 называется глубиной модуляции диэлектрической проницаемости, c - величина, характеризующая нелинейные свойства кристалла. У входной грани ( х 0) кристалла с переменной во времени диэлектрической проницаемостью e возбуждаются электромагнитные колебания с частотами w1 и w2 и фазами j1, j2, связанными соотношениями: w1 +w2 wн и j1+ j2 jн, аналогично параметрическому возбуждению колебаний в двухконтурной системе (см. Параметрическое возбуждение и усиление электрических колебаний ).Колебания с частотами w1, w2 распространяются внутри кристалла в виде двух световых волн. Волна накачки отдаёт им свою энергию на всём пути их распространения, если выполняется соотношение между фазами:
jн ( х ) j1( х ) + j2( х ) + p/2 . (1)
Это соответствует условию фазового синхронизма:
к 1 + к 2 к н . (2)
Соотношение (2) означает, что волновые векторы волны накачки к н и возбуждённых волн k 1 и k 2 образуют замкнутый треугольник. Из (2) следует условие для показателей преломления кристалла на частотах wн, w1, w2: n (wн) ³ n (w2)+ [ n (w1) - n (w2)] w1/wн.
При фазовом синхронизме амплитуды возбуждаемых волн по мере их распространения в кристалле непрерывно увеличиваются:
, (3)
где d - коэффициент затухания волны в обычной (линейной) среде. Очевидно, параметрическое возбуждение происходит, если поле накачки превышает порог:. В среде с нормальной дисперсией, когда показатель преломления n увеличивается с ростом частоты w, синхронное взаимодействие волн неосуществимо ( рис. 1 ). Однако в анизотропных кристаллах, в которых могут распространяться два типа волн (обыкновенная и необыкновенная), условие фазового синхронизма может быть осуществлено, если использовать зависимость показателя преломления не только от частоты, но и от поляризации волны и направления распространения. Например, в одноосном отрицательном кристалле (см. Кристаллооптика ) показатель преломления обыкновенной волны n 0 больше показателя преломления необыкновенной волны n e , который зависит от направления распространения волны относительно оптической оси кристалла. Если волновые векторы параллельны друг другу, то условию фазового синхронизма соответствует определённое направление, вдоль которого:
2 n e (wн, Jс) n 0(w1) + n 0(wн-w1),
2 n e (wн,Jс) n 0(w2) + n e (wн-w2). (4)
Угол Jс относительно оптической оси кристалла называется углом синхронизма, является функцией частот накачки и одной из возбуждаемых волн. Изменяя направление распространения накачки относительно оптической оси (поворачивая кристалл), можно плавно перестраивать частоту П. г. с. ( рис. 2 ). Существуют и др. способы перестройки частоты П. г. с., связанные с зависимостью показателя преломления n от температуры, внешнего электрического поля и т.д.
Для увеличения мощности П. г. с. кристалл помещают внутри открытого резонатора , благодаря чему волны пробегают кристалл многократно за время действия накачки (увеличивается эффективная длина кристалла, рис. 3 ). Перестройка частоты такого резонаторного П. г. с. происходит небольшими скачками, определяемыми разностью частот, соответствующих продольным модам резонатора. Плавную перестройку можно осуществить, комбинируя повороты кристалла с изменением параметров резонатора.
Во многих странах организован промышленный выпуск П. г. с. Источником накачки служит излучение лазера (импульсного и непрерывного действия) или его оптических гармоник. Существующие П. г. с. перекрывают диапазон длин волн от 0,5 до 4 мкм . Разрабатываются П. г. с., перестраиваемые в области l 10-15 мкм . Отдельные П. г. с. обеспечивают перестройку частоты в пределах 10% от wн. Уникальные характеристики П. г. с. (когерентность излучения, узость спектральных линий, высокая мощность, плавная перестройка частоты) превращают его в один из основных приборов для спектроскопических исследований (активная спектроскопия и др.), а также позволяют использовать его для избирательного воздействия на вещество, в частности на биологические объекты.
Лит.: Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Параметрические усилители и генераторы света, 'Успехи физических наук', 1966, т. 88, в. 3, с. 439; Ярив А., Квантовая электроника и нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1973.
А. П. Сухоруков.